馬輝

秦皇島秦冶重工有限公司工業(yè)設(shè)計(jì)中心 河北秦皇島 066318

1 序言

隨著我國社會老齡化不斷加劇，焊接作為一項(xiàng)工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、對人員操作要求高，且對身體有一定危害的工種，已經(jīng)越來越難吸引年輕一代的加入，形成了普遍的焊工需求大與從業(yè)人員減少的矛盾。焊接機(jī)器人的應(yīng)用能有效解決這種矛盾，可以使更多人把時(shí)間投入到更具創(chuàng)造力的工作中去。機(jī)器人焊接是指機(jī)器人系統(tǒng)代替手工完成焊接作業(yè)，獲得合格焊件的過程，機(jī)器人在焊接領(lǐng)域應(yīng)用最早也最廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)約25%的工業(yè)機(jī)器人用于焊接操作[1]。目前，國內(nèi)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用量占其整體行業(yè)應(yīng)用的42%，且逐年遞增[2]。

機(jī)器人焊接具有焊接穩(wěn)定性高、質(zhì)量好、生產(chǎn)率高，以及能夠改善勞動(dòng)條件等優(yōu)點(diǎn)，可在有害環(huán)境下工作，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性。另外，還可在各種極限條件下完成焊接作業(yè)，同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量，能夠推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化升級改造，是焊接技術(shù)的應(yīng)用趨勢。

本文以我公司生產(chǎn)的高爐系統(tǒng)中的熱風(fēng)閥閥板弧焊機(jī)器人工作站為例，介紹了一種螺旋形焊縫機(jī)器人焊接技術(shù)的應(yīng)用。

2 閥板工件介紹

該閥板工件是應(yīng)用在高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)的熱風(fēng)閥產(chǎn)品的主要組成部分，起切斷熱風(fēng)的作用，使用環(huán)境最高溫度為1450℃，因此其多設(shè)計(jì)為水冷結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯隔熱耐火材料。閥板中的水冷結(jié)構(gòu)有螺旋形冷卻水通道，焊縫多，焊接量大，要求焊接質(zhì)量高。正常工作時(shí)閥板處于管道通徑位置，直接接觸高溫?zé)犸L(fēng)，如果在使用中有焊縫漏水問題，則將直接導(dǎo)致產(chǎn)品失效，嚴(yán)重時(shí)會影響整個(gè)高爐的運(yùn)行。因此，焊接質(zhì)量要求嚴(yán)格，所有焊縫需進(jìn)行超聲波檢測和水壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

閥板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其采用全焊接結(jié)構(gòu)，由側(cè)板、內(nèi)水圈、隔水板組成的板芯及外水圈組成，焊接工作站主要進(jìn)行閥板板芯不同厚度的Q245R鋼板螺旋形焊縫的焊接。

圖1 閥板工件

3 工作站系統(tǒng)介紹

焊接工作站由機(jī)器人主體、電器控制系統(tǒng)、逆變式脈沖專用焊機(jī)、送絲機(jī)構(gòu)、C形架行走系統(tǒng)、防碰撞專用焊槍、激光跟蹤系統(tǒng)、清槍站、按鈕站、裝夾找正轉(zhuǎn)臺及防護(hù)圍欄組成（見圖2）。

圖2 焊接工作站

（1）焊接機(jī)器人 進(jìn)口6軸焊接機(jī)器人，手腕最大負(fù)載8kg，可達(dá)半徑2032mm。

（2）逆變式脈沖焊機(jī) 作為弧焊機(jī)器人的專用焊機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，并精確到一脈一滴的熔滴過渡，內(nèi)部設(shè)置有過壓、過流、過熱及堵絲等保護(hù)功能。

（3）C形倒掛行走系統(tǒng) 采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，通過齒輪驅(qū)動(dòng)溜板在直線導(dǎo)軌上滑行，伺服電動(dòng)機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人屬于同一系列，可以實(shí)現(xiàn)C形倒掛行走和機(jī)器人本體聯(lián)動(dòng)控制。

（4）激光跟蹤傳感器 用于檢測實(shí)際焊縫位置，實(shí)現(xiàn)焊接過程中對焊縫位置的尋位反饋和實(shí)時(shí)跟蹤（見圖3）。

圖3 激光跟蹤系統(tǒng)

（5）配套轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì) 因?yàn)槁菪魏缚p工件的重復(fù)擺放位置直接影響到自動(dòng)焊接的實(shí)現(xiàn)，所以螺旋形焊縫是不對稱的。程序編制好后，工件的擺放位置是唯一的，同時(shí)為了滿足多規(guī)格工件的快速裝夾找正的需要和重復(fù)定位精度要求，配合焊接機(jī)器人主體完成重復(fù)焊接任務(wù)，達(dá)到穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，專門設(shè)計(jì)制造了激光對位找正轉(zhuǎn)臺。

激光對位找正轉(zhuǎn)臺由固定座、旋轉(zhuǎn)臺、夾緊組件、防轉(zhuǎn)組件及激光對正裝置組成，如圖4所示。該專用轉(zhuǎn)臺借助線激光器輔助，可快速實(shí)現(xiàn)大型工件的對中、旋轉(zhuǎn)找正過程，增加外部IO信號聯(lián)接后，可配合程序完成自動(dòng)焊接過程。

圖4 激光對位找正轉(zhuǎn)臺

（6）防護(hù)圍欄（見圖5）防護(hù)圍欄作用主要有兩個(gè)：一是界定隔斷機(jī)器人工作區(qū)域，防止無關(guān)人員進(jìn)入該范圍造成危險(xiǎn)，切實(shí)保證人員安全；二是在防護(hù)圍欄上部設(shè)置擋弧板，可以有效地避免對周圍人員及安全通道行人造成弧光傷害。

圖5 防護(hù)圍欄

4 工藝方案制定

4.1 工藝難點(diǎn)分析

1）工件的螺旋形焊縫為矩形槽焊縫塞焊，寬度為16～20mm，深度為16～25mm，需要多層多道焊接，焊縫兩側(cè)熔合時(shí)容易咬邊，焊道間清渣難操作，容易造成未熔合和夾渣缺陷。

2）該閥板工件規(guī)格多、重量大，裝夾找正困難，工件重復(fù)定位精度要求高。

3）螺旋形焊縫的焊道密集、焊接量大、變形嚴(yán)重，不同規(guī)格的工件焊接后直徑會收縮5～10mm，焊縫位置會隨焊接的進(jìn)行發(fā)生變動(dòng)，固定的程序位置不能滿足焊接需要，也保證不了焊接質(zhì)量。

4.2 焊接方案制定

由于該工件的螺旋形焊縫是雙面的，而且會隨焊接的進(jìn)行一直收縮變形，加上多層多道焊之間的道間清渣問題，很難實(shí)現(xiàn)一次裝夾就焊接完成全自動(dòng)化過程，因此工件的上下料、翻面、清渣過程采用了人工輔助的方式，工藝過程簡述如下。

1）采用φ1.6mm的ER50-6實(shí)芯焊絲，純CO2氣體保護(hù)，每層兩道焊縫，左右交替焊接3～4層完成焊縫填充。

2）使用專用裝夾找正轉(zhuǎn)臺配激光定位實(shí)現(xiàn)工件找正夾緊，每道焊道均使用激光跟蹤系統(tǒng)尋位糾偏后再焊接。

3）人工配合橋式起重機(jī)吊裝上下料，然后人工清渣。

機(jī)器人焊接參數(shù)見表1。

表1 機(jī)器人焊接參數(shù)

5 應(yīng)用中的問題及改善

5.1 飛濺

（1）問題描述 100%純CO2氣體保護(hù)焊的飛濺很嚴(yán)重，會造成激光器的保護(hù)鏡片很快就被飛濺顆粒遮蓋，導(dǎo)致接收反射光線受阻，產(chǎn)生尋位偏離嚴(yán)重的問題。同時(shí)，嚴(yán)重的飛濺也會造成焊縫熔合不良，焊縫成形差，從而影響焊縫質(zhì)量（見圖6）。

圖6 改善前焊縫偏離和飛濺

（2）改善措施 將100%純CO2氣體保護(hù)改為80%Ar+20%CO2混合氣體保護(hù)，改善后焊接過程穩(wěn)定，幾乎沒有焊接飛濺，保護(hù)鏡片的更換頻率明顯減少，焊縫成形美觀且保證了焊縫質(zhì)量，改善后的焊縫和工件表面形貌如圖7所示。

圖7 改善后的焊縫和工件表面形貌

5.2 夾渣

（1）問題描述 多層多道焊的焊縫經(jīng)過超聲波檢測和碳弧氣刨后觀察發(fā)現(xiàn)有夾渣問題，因矩形塞焊的特殊性，每層左右壓焊的多層焊接工藝，所以當(dāng)前道焊縫焊后不及時(shí)清渣或清渣不徹底時(shí)，會造成后道焊縫熔化時(shí)將部分焊渣覆蓋，從而造成夾渣缺陷，超聲波檢測和碳弧氣刨后觀察都證實(shí)了在焊縫中出現(xiàn)的連續(xù)或斷續(xù)夾渣缺陷（見圖8）。

圖8 夾渣缺陷

（2）改善措施 多層多道焊接改為每層擺動(dòng)焊接一道，再根據(jù)鋼板的厚度焊接多層完成焊縫填充。經(jīng)過試驗(yàn)確定合適的擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)頻率和停頓時(shí)間參數(shù)，見表2。結(jié)果顯示，每道焊縫與兩側(cè)熔合的很好，且過渡圓滑，如圖9所示。另外，道間清渣也方便了，后一道焊縫對前一道焊縫的熔渣有很好的再熔化上浮效果，解決了容易產(chǎn)生夾渣缺陷的問題，經(jīng)批量超聲波檢測后，焊縫合格，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

表2 擺動(dòng)參數(shù)

圖9 焊縫兩側(cè)熔合圓滑

5.3 焊縫檢測

（1）試件檢測 使用改進(jìn)后焊接工藝焊接的試件，經(jīng)超聲波檢測達(dá)到了GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定》II級的技術(shù)要求。試件切割加工后，對焊縫斷面進(jìn)行了著色檢測（見圖10），焊縫熔合良好，熔合區(qū)的實(shí)際寬度大于焊前的16mm，厚度方向的斷面沒有任何焊接缺陷，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 焊縫超聲波檢測及斷面檢測

（2）工件檢測 使用改進(jìn)后工藝焊接工件后，超聲波檢測顯示有效焊縫深度達(dá)到了板厚尺寸，內(nèi)部質(zhì)量等級達(dá)到了GB/T 11345—2013的II級要求。由于焊縫表面為凸起形狀，對表層超聲波檢測有缺陷不確定的位置，經(jīng)碳弧氣刨抽檢觀察后，確定焊縫表層熔合良好，未發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔和未熔合等焊接缺陷（見圖11）。

圖11 焊縫超聲波檢測及表層檢測

6 激光跟蹤器的應(yīng)用

目前，激光跟蹤系統(tǒng)主要有尋位和跟蹤功能。尋位功能可以根據(jù)實(shí)際點(diǎn)位糾正原焊接程序點(diǎn)的坐標(biāo)值，經(jīng)過計(jì)算得出實(shí)際點(diǎn)后進(jìn)行焊接。跟蹤功能是實(shí)時(shí)掃描糾偏后反饋給程序來糾正焊接路徑。

該焊接工作站中的閥板焊接采用的是尋位功能，即每一段焊縫在焊接前先尋位確定實(shí)際的位置點(diǎn)并反饋給焊接程序，激光線照射槽寬上沿棱線作為矯正反饋基準(zhǔn)，經(jīng)過位置糾偏后，焊槍根據(jù)實(shí)際的直線點(diǎn)或圓弧點(diǎn)焊接，這樣就有效地避免了前面焊縫的焊接對工件造成的變形影響。

激光尋位程序舉例如下。

7 多層多道焊功能的應(yīng)用

弧焊機(jī)器人的多層多道焊功能，是每個(gè)焊接子程序都可以配置一組偏移數(shù)據(jù)，根據(jù)需要可以提前設(shè)定每道焊縫的Y方向和Z方向的相對偏移量，編程時(shí)使用循環(huán)調(diào)用命令去調(diào)用不同寄存器里的偏移數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)多層多道的焊接。這樣節(jié)省了大量程序語句錄入，很好地解決了中厚板焊接編程，省時(shí)省力且節(jié)約內(nèi)存空間。

多層多道焊接程序舉例如下。

8 弧焊機(jī)器人在多規(guī)格小批量工件中的應(yīng)用建議

（1）設(shè)備通用化 對于多規(guī)格小批量的大尺寸、大噸位工件，在應(yīng)用機(jī)器人焊接工作站時(shí)，要盡可能擴(kuò)大設(shè)備的通用性，適合本單位的產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍和實(shí)際需要，通過調(diào)整主體配套設(shè)備后，滿足多個(gè)產(chǎn)品的焊接，這樣就可以提升設(shè)備的使用效能，類似于機(jī)加工設(shè)備，成為一種通用性較強(qiáng)的制造系統(tǒng)。

（2）設(shè)備智能化 傳感器的應(yīng)用為弧焊機(jī)器人向智能化發(fā)展帶來了先決條件。焊接過程容易受到外界的環(huán)境影響，進(jìn)而會影響焊接質(zhì)量，而傳感器的應(yīng)用可以依據(jù)周圍環(huán)境的變化來調(diào)整設(shè)備自身的工藝和機(jī)器人狀態(tài)，從而保證焊接質(zhì)量[3]。

焊接過程容易受到工件組對精度和重復(fù)定位精度的影響，造成焊接程序的焊接位置偏差，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量。傳感器的應(yīng)用可以糾正和改善這種不良影響，從而保證最終的焊接質(zhì)量。例如，工件的組對間隙、焊縫位置發(fā)生變化時(shí)，激光傳感器可以依據(jù)間隙的大小、位置變化自適應(yīng)調(diào)整焊接程序的對應(yīng)位置。

（3）操作簡易化 對于非流水線作業(yè)的工件焊接，在焊接機(jī)器人應(yīng)用中要充分考慮編程操作的復(fù)雜性、繁瑣性，以及在整個(gè)焊接過程中工時(shí)占比的合理性；要充分集成先進(jìn)的激光跟蹤系統(tǒng)、視覺跟蹤系統(tǒng)、專用程序模塊等軟硬件配置，通過這些組件搭建便于編程、降低操作難度的弧焊機(jī)器人焊接工作站。

9 結(jié)束語

本文主要介紹了一種螺旋形焊縫工件的弧焊機(jī)器人工作站的工藝和應(yīng)用，以及對具有小批量、多規(guī)格、大尺寸特點(diǎn)的工件在焊接機(jī)器人應(yīng)用方面的建議。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，必然會推動(dòng)弧焊機(jī)器人向更高效化、更智能化方向發(fā)展，并逐步延伸到各個(gè)行業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)。